薄煤層采煤機搖臂優(yōu)化分析

陳碩

摘 要：懸臂是采煤機重要的結(jié)構(gòu)部件，懸臂能否高效工作直接關(guān)系到采煤機的工作效率。文中在對采煤機懸臂受力分析的基礎(chǔ)之上，采用數(shù)值模擬軟件對懸臂的運行結(jié)構(gòu)進行仿真分析，對懸臂殼體厚度以及肋板的高度等進行優(yōu)化，優(yōu)化后的懸臂受力更為均衡，搖臂的質(zhì)量有所降低。

關(guān)鍵詞：采煤機;搖臂;優(yōu)化分析

煤礦井下采煤機搖臂主要結(jié)構(gòu)部件有減速箱、搖臂殼體以及截割電機等部分。搖臂是保證采煤機正工作運行的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，通過插銷與采煤機機身進行連接。在薄煤層回采工作面，采用的大功率采煤機需要采用更長的搖臂，以及直徑更大的割煤滾筒。采煤機正常作業(yè)時，搖臂的傳動件如軸承、殼體等都需要承受較大的作用力，同時為了配合割煤需要，搖臂需要頻繁的上下移動，搖臂的疲勞損壞程度增加，設(shè)備的故障率較高。搖臂的出現(xiàn)故障跟采煤機受力、震動等都有關(guān)聯(lián)。因此，可以從動力學(xué)以及結(jié)構(gòu)分析角度出發(fā)，對搖臂的受力薄弱位置及部件面，對搖臂動態(tài)特性進行分析，提升搖臂經(jīng)濟性及穩(wěn)定性。

1 采煤機搖臂受力分析

在采煤機正常工作狀態(tài)下，煤巖體分布不均衡，采煤機受到的作用力不均衡。但是無論采煤機截割滾筒受到的作用力較為復(fù)雜，最終作用力都會傳遞到采煤機搖臂之上。正常情況下，采煤機滾筒受力有6個作用分量，在三個坐標軸上產(chǎn)生分量，同時繞著三個方向上出現(xiàn)扭矩。通過對搖臂受力進行分析，考慮到搖臂載荷，即搖臂、滾筒重量、截割滾筒受到阻力、滾筒受力。

搖臂工作狀態(tài)下的工作阻力可以從電機的阻力距計算取得，電機受到的載荷與供電電壓、電流大小成正比，因此，只需要確定電機電壓值以及電流值就可以計算取得采煤機截割滾筒受到的力矩。滾筒在工作時截割阻力主要來至于滾筒上的截割齒輪，受到的作用力方向垂直于滾筒運動方向。滾筒截割時受到的阻力可以采用下式進行計算：

其中，K表示滾筒周邊受力修正系數(shù)，取值為0.8;NH表示為截割電機的功率（kW）;?表示截割部傳動效率;n表示滾筒的運轉(zhuǎn)速度（r/min）;Dc表示滾筒直徑（mm）。

對懸壁的軸向受力進行簡化分析，主要分析滾筒傾斜截割齒輪受到的側(cè)向應(yīng)力以及滾筒葉片齒輪側(cè)向力。前者受力方向主要向采空區(qū)，后者主要向采煤機推進方向。采煤機滾筒葉片齒輪布置形式設(shè)定為棋盤式，滾筒受到的軸向應(yīng)力值為：

其中，PZ表示滾筒工作時受到的阻力;LK表示滾筒截割深度（m），K2表示滾筒截割條件系數(shù)，一般取值為2;J表示滾筒有效截割深度，（m）

2 采煤機搖臂受力分析

文中以J71A型薄煤層采煤機為例，采用CREO2.0軟件建立搖臂三維模型，并添加相應(yīng)的載荷，以便獲取采煤機懸臂在不同工況條件下的受力情況。建立的三維仿真模型如圖1所示。

通過對比分，產(chǎn)生的應(yīng)力以及位移的最大值表現(xiàn)規(guī)律較為接近。懸臂結(jié)構(gòu)受到的負載變化情況與實現(xiàn)中采煤機懸臂受到的載荷變化相仿。懸臂的等特效應(yīng)力以及等效位移在接近30s時間時出現(xiàn)最大值，最大的載荷達到220MPa，遠超過懸臂使用材料的極限強度。主要針對上述情況進行優(yōu)化。

3 采煤機懸臂優(yōu)化

通過對采煤機懸臂的受力分析模擬仿真得知，懸臂出現(xiàn)應(yīng)力集中部位主要有兩處位置，一處是懸臂的殼體直齒傳動部分，一處是驅(qū)動電機外部殼體肋板。因此，對懸臂的優(yōu)化主要是針對上述兩處位置進行。將懸臂厚度定義為ds-xbhd，箱體厚度定義為ds-xthd，肋板的高度定義為ds-lbgd。選用的優(yōu)化數(shù)值有一定的取值范圍，設(shè)定的值過大或者過小都不利對懸臂結(jié)構(gòu)分析。具體設(shè)計變量值與目標變量值如表1所示。

在具體設(shè)計參數(shù)時的取值范圍有上下10%的波動，系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)定值的變化自動生成29個樣本數(shù)據(jù)值。在對懸臂進行優(yōu)化分析時，先需要進行響應(yīng)分析。通過進行動態(tài)的變量的輸入，分析輸入的動態(tài)變量對輸出變量的影響，為具體的懸臂優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

3.1 懸臂目標驅(qū)動優(yōu)化

通過對懸臂進行優(yōu)化分析，對不同輸入以及輸出的數(shù)據(jù)組合，尋求最佳的優(yōu)化組合方案，對比分析懸臂受到的最大應(yīng)力值，主要結(jié)論為：對懸臂優(yōu)化之后的懸臂自身的質(zhì)量、最大等效位移未出現(xiàn)較大的變化，懸臂的最大等效應(yīng)力受到顯著影響。對懸臂進行優(yōu)化的一個重要方面是在降低最大等效應(yīng)力前提之下對懸臂的質(zhì)量進行優(yōu)化。

3.2 懸臂優(yōu)化結(jié)果分析

懸臂最大應(yīng)力在優(yōu)化前后都主要發(fā)生在懸臂驅(qū)動電機肋板出，主要的區(qū)別在于優(yōu)化之后肋板的應(yīng)力分布更為均衡。肋板上的應(yīng)力從優(yōu)化之前的152MPa降低到優(yōu)化之后的131MPa，降低幅度達到14%，優(yōu)化效果較為明顯，具體的各個選取參數(shù)優(yōu)化前后的對比數(shù)據(jù)如表2所示。

4 結(jié)語

搖臂作為采煤機的重要結(jié)構(gòu)部件，對采煤機的正常工作運行起著重要的作用。微課更好的促進薄煤層采煤機搖臂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，采用迷你軟件對搖臂進行三維結(jié)構(gòu)仿真以及優(yōu)化，優(yōu)化后，懸臂的結(jié)構(gòu)受力更為合理，優(yōu)化后懸臂的最大應(yīng)力降低到131MPa，重量降低到6367kg，降低了2.3%。優(yōu)化后的懸臂重量更輕，受力更為合理，優(yōu)化效果較為明顯。

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